Teil I – Pflichtaufgaben
Aufgabe 1: Mechanik
Es wird ein Demonstrationsexperiment vorgeführt.
Dabei rollt ein Wagen mit Massestück eine geneigte Ebene herunter. Am Ende der geneigten Ebene befindet sich ein Hindernis.
Beobachte die Bewegungen des Wagens und des Massestückes.
Notiere deine Beobachtungen.
Erkläre das Verhalten des Massestückes nach dem Aufprall des Wagens mithilfe eines physikalischen Gesetzes.
Begründe die Pflicht, in Fahrzeugen Sicherheitsgurte zu benutzen.
Aufgabe 2: Optik
Mit Glasfaserkabeln können große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden. Dabei werden die Daten mittels Lichtsignalen weitergeleitet. Der Kern eines Glasfaserkabels besteht aus Acrylglas.
Hinweis: 
Nenne zwei Eigenschaften der Lichtausbreitung.
Totalreflexion verhindert das Austreten eines Lichtstrahls aus dem Kern des Lichtleiterkabels.
Gib die Bedingungen für das Auftreten von Totalreflexion an.
Beim Übergang in Luft tritt ein Lichtstrahl unter einem Winkel von 
aus dem Kern des Lichtleiterkabels aus.
Berechne den Einfallswinkel für diesen Fall.
Aufgabe 3: Astronomie
Die Beobachtung von Himmelskörpern spielt in der Astronomie eine große Rolle.
Das Maximum der letzten partiellen Sonnenfinsternis in Dresden konnte am 25. Oktober 2022 um 12:15 Uhr beobachtet werden.
Skizziere die Position aller beteiligten Himmelskörper bei einer Sonnenfinsternis.
Ermittle für den Stern Aldebaran (Sternbild Stier) die Aufgangszeit am 10. November 2024 und die Kulminationszeit des Sterns in dieser Nacht.
Berechne die Zeit, die das Licht von der Sonne zur Erde benötigt.
Aufgabe 4: Kernphysik
Bei der Therapie von Schilddrüsenerkrankungen wird Patienten das radioaktive Isotop lod-131 verabreicht. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen.
Die folgende Tabelle beschreibt den radioaktiven Zerfall des Isotops lod-131.
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Zeit |
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Anzahl |
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Gib die fehlenden Werte 
und 
an.
Zeichne ein zugehöriges 
-Diagramm.
Nenne eine Schutzmaßnahme für medizinisches Fachpersonal beim Umgang mit radioaktiven Stoffen.
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Lösung 1: Mechanik
Der Wagen rollt die geneigte Ebene hinab und wird durch das Hindernis abrupt gestoppt. Das lose aufliegende Massestück bewegt sich jedoch mit seiner bisherigen Geschwindigkeit weiter nach vorn und fällt vom Wagen.
Dieses Verhalten lässt sich mit dem Trägheitsgesetz (dem 1. Newtonschen Axiom) erklären. Das Gesetz besagt, dass ein Körper in seinem aktuellen Bewegungszustand verharrt, solange keine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Während der Wagen durch das Hindernis eine bremsende Kraft erfährt und stoppt, wirkt diese Kraft nicht (oder kaum, wegen geringer Reibung) auf das Massestück, weshalb es sich aufgrund seiner Trägheit weiter vorwärtsbewegt.
Fahrzeuginsassen verhalten sich bei einem plötzlichen Bremsmanöver oder Aufprall genau wie das Massestück im Experiment. Während das Fahrzeug abrupt gestoppt wird, würden sich die Fahrzeuginsassen aufgrund ihrer Trägheit mit der ursprünglichen Fahrgeschwindigkeit weiter nach vorne bewegen und schwer verletzt werden. Der Sicherheitsgurt übt die notwendige Gegenkraft aus, um den Insassen rechtzeitig abzubremsen.
Lösung 2: Optik
Licht breitet sich in einem homogenen Medium stets geradlinig aus.
Lichtbündel durchdringen einander ungestört, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen.
Der Lichtstrahl muss sich von einem optisch dichteren Medium (hier: Acrylglas) auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium (hier: Luft) bewegen.
Zudem muss der Einfallswinkel des Lichts größer sein als der spezifische Grenzwinkel der Totalreflexion für diesen Materialübergang.
Zur Berechnung wird das Brechungsgesetz genutzt:
Der Ausfallswinkel ist mit 
angegeben und 
gibt den gesuchten Einfallswinkel an. Es ergibt sich:
![Formula: \begin{array}[t]{rlll} \dfrac{\sin(\alpha)}{\sin(\beta)} &=&\dfrac{c_\text{Acrylglas}}{c} \quad&\mid \cdot\sin(\beta)\\[5pt] \sin(\alpha)&=&\dfrac{c_\text{Acrylglas}}{c}\cdot\sin(\beta) \\[5pt] \alpha&=&\sin^{-1}\left(\dfrac{200930\;\tfrac{\text{km}}{\text{s}}}{300000\;\tfrac{\text{km}}{\text{s}}}\cdot\sin(75^\circ)\right) \\[5pt] \alpha&=&40,3^\circ \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/8b7c64e303efbafb4eb67b256c1f2fbda25e14a9370d7629d697824d2d47ce4d_light.svg)
![Formula: \begin{array}[t]{rlll} \dfrac{\sin(\alpha)}{\sin(\beta)} &=&\dfrac{c_\text{Acrylglas}}{c} \quad&\mid \cdot\sin(\beta)\\[5pt] \sin(\alpha)&=&\dfrac{c_\text{Acrylglas}}{c}\cdot\sin(\beta) \\[5pt] \alpha&=&\sin^{-1}\left(\dfrac{200930\;\tfrac{\text{km}}{\text{s}}}{300000\;\tfrac{\text{km}}{\text{s}}}\cdot\sin(75^\circ)\right) \\[5pt] \alpha&=&40,3^\circ \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/8b7c64e303efbafb4eb67b256c1f2fbda25e14a9370d7629d697824d2d47ce4d_dark.svg)
Lösung 3: Astronomie
Mit der drehbaren Sternenkarte oder der Astronomietabelle aus den zugelassenen Hilfsmitteln ergibt sich:
Aufgangszeit: ca. 18:00 Uhr (MEZ)
Kulminationszeit: ca. 01:30 Uhr in der darauffolgenden Nacht (11. November)
Die mittlere Entfernung der Erde zur Sonne beträgt etwa 
Für die benötigte Zeit ergibt sich mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit somit:
Das Licht benötigt somit 
um von der Sonne zur Erde zu kommen bzw. 
Lösung 4: Kernphysik
Iod-131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen, was bedeutet, dass sich die Anzahl der noch nicht zerfallenen Atome alle 8 Tage halbiert. Der Startwert bei Tag 
ist 
Nach exakt einer Halbwertszeit (8 Tage) ist nur noch die Hälfte da, somit gilt 
Nach 24 Tagen sind es noch 1500 Atome. Die Halbierung auf 750 Atome benötigt wieder exakt 8 Tage. Somit ergibt sich 
Beim Umgang mit radioaktiven Stoffen wie Iod-131 ist das konsequente Tragen von geeigneter Abschirmung, wie zum Beispiel Bleischürzen oder das Arbeiten hinter Bleiglasscheiben, unerlässlich.
Weitere mögliche Maßnahmen sind den Abstand zu vergrößern oder die Aufenthaltszeit in der Nähe des Stoffes so kurz wie möglich zu halten.